电车不惧凛冬！宁德时代吴凯：新型低温电解液对三元、铁锂、M3P电池都适用
对于电动车主而言，冬季伺候“电动爹”的尴尬局面有望得到改善。
近日宁德时代首席科学家吴凯在出席2023年中国汽车论坛时表示，目前宁德时代已开发出了全新的电解液材料。新的电解液在-20的极寒条件下可以将电池充电效率提高50%，在正常温度下则可以提高43%。
7月10日，吴凯对澎湃新闻记者进一步解释，无论是现有的三元锂电池、磷酸铁锂电池，还是宁德时代即将量产的新型M3P电池，这种能够改善电池低温性能的新型电解液都适用。“只是说，对于三种不一样的电池正极化学体系，改善的电解液配方，并不一样。”吴凯说。
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基于正极材料的不同，目前锂电池的两种主流路线是镍钴锰三元锂和磷酸铁锂电池，而M3P电池是宁德时代研发的基于磷酸盐体系的三元锂电池，最新消息是即将在今年第三季度首发于特斯拉中国产的MODEL 3改款。
在此前在宜宾举办的2023世界动力电池大会上，吴凯也说，“新能源汽车和动力电池技术发展到今天，里程焦虑不是用户的第一核心问题，动力电池要解决全气候可靠、全场景可靠以及补能的问题。”
众所周知，冬季的天气对电动汽车来说是一个不小的挑战。
今年春节，一名微博网友就记录了自己在驾车的心酸历程：“由于气温过低续航直线下降，车机反复提示无法到达目的地。本打算在高速服务区充电，没想到连续两个服务区都没有充电桩，下高速的充电距离也很远。”
另一名网友则记录，“为了坚持开到第三个服务区，中途开始降速，速度逐渐从100—90—80—70—60，关空调，开双闪，靠右行驶，在零下十几度的气温中瑟瑟发抖，坚持了50分钟终于到达了长城岭服务区，到达时续航仅剩7公里……”
到了寒冷的冬天，电动汽车续航堪称“打骨折”。以特斯拉Model 3为例，媒体测出的常温续航达成率为82%，而到了-15至-10°C的冬季环境，续航达成率大幅降至46%，下降36个百分点。而在两种电池正极路线中，磷酸铁锂电池低温性能较三元电池表现更差，冬季续航打折问题尤为显著。
据业内人士介绍，通常而言，在低温环境下，锂离子电池使用存在容量低、衰减严重、循环倍率性能差、析锂现象明显、脱嵌锂不平衡等问题。
美国劳伦斯伯克利国家实验室的刘杲教授此前发表在Energy Environ. Sci.的论文Liquid electrolyte development for low-temperature lithium-ion batteries中指出，“锂离子电池的可用容量通常会随着温度的降低而降低，特别是低于-20 °C，有时会低于其室温值的25%。另一方面，电池在低温下充电，也可能发生不可逆的容量损失。”
随着应用领域不断拓展，锂离子电池目前的低温性能带来的制约愈加明显。
那么，在改善锂离子电池的低温性能上，电解液能起到什么作用呢？
据了解，液态锂离子电池主要由正极材料、负极材料、隔膜、电解液四大部分组成，电解液主要负责在正负极之间传导导电离子的作用，被称为电池的血液＂。
刘杲在其论文中指出，“尽管许多单独的过程会导致低温下锂离子电池的容量损失，但它们中的大多数因素在一定程度上受到全电池内部存在的非水系液态电解质的控制。因此，电解液工程为研究和解决电池低温失效提供了广阔的前景。”
具体来看，在低温条件下，电解液粘度增加，锂离子电导率降低，从而导致外电路电子迁移速度不匹配，电池出现严重极化，充放电容量出现急剧降低。尤其当低温充电时，锂离子很容易在负极表面形成锂枝晶，导致电池失效。
石墨‖LiNi0.80Co0.15Al0.05O2全电池中锂传输路径的完整概述示意图，图片来源：Energy Environ. Sci
据了解，现目前锂离子电池的电解液主要成分是溶剂、溶质（锂盐）和添加剂等，按比例在一定条件下调制而成，三种原料质量占比分别为80%－85%、10%－12%、3%－5%。
用于改善低温性能的电解液策略示意图，图片来源：Energy Environ. Sci
其中，溶剂主要作为锂离子的运输载体，常用的为碳酸酯类溶剂，包括碳酸丙烯酯（PC）、碳酸乙烯酯（EC）、碳酸二乙酯（DEC）、 碳酸二甲酯（DMC）、碳酸甲乙酯（EMC）等。
溶质（锂盐）作为锂离子的提供者，一般选用四氟硼酸锂（LiBF4）、六氟磷酸锂（LiPF6）、新型锂盐双氟磺酰亚胺锂（LiFSI）等。锂盐在电解液中不仅能够提高溶液的离子电导率，还能降低 Li+ 在溶液中的扩散距离。一般而言，溶液中的Li+浓度越大，其离子电导率也越大。
添加剂是特定功能的物质，电解液一般含多种添加剂，按作用分为成膜添加剂、高／低温添加剂、过充保护添加剂、阻燃添加剂、倍率型添加剂等。常见的为碳酸亚乙烯酯（VC）和氟代碳酸乙烯酯（FEC）等。
据介绍，目前业内改善电解液低温性能的策略通常是调整溶剂、溶质（锂盐）和添加剂的含量和比例。
例如刘杲在其论文中其指出，在低温条件下电解液粘度的增加会导致电解液锂离子电导率降低，从而导致电池内部电阻上升。粘度增加与EC溶剂含量密切相关，因此低温条件下应尽量避免使用EC溶剂。
由于EC溶剂的高熔点，容易发生凝固现象。通过添加锂盐（1 M LiPF6）可进一步降低凝固点，使实际电解液的液相线进一步降低至-20至-30。而与线性碳酸酯相比，PC在作为助溶剂添加时更有效地抑制EC结晶。
据了解，目前在低温电解液方面下功夫的国内电池企业，除了宁德时代，还有国轩高科、辉鹏能源等。国轩高科工程研究总院院长蔡毅在2021年就透露，“国轩新电解液配方能够提升铁锂电池低温性能超过20%。”而辉鹏能源表示，该公司通过双锂盐、多溶剂复配，实现高电导、宽温程电解液的开发。
而为了全面改善锂离子电池的低温效能，目前业内在电池材料探索上也不仅仅是电解液，还包括增强锂离子电池正极材料表面的导电性、增加电池隔膜的孔隙率等方式。例如宁德时代就还拥有电池内部快速自加热技术，利用脉冲电流所释放的热能对电池加热，以2/min的加热速率，整个加热过程中电芯温差不超过4。使用电池6%左右的能量，15分钟从-20提升到10。
